VFW技術(shù)在發(fā)動機試驗系統(tǒng)多余物檢測中的應(yīng)用

單　琳，喬江暉，陳海峰

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

VFW技術(shù)在發(fā)動機試驗系統(tǒng)多余物檢測中的應(yīng)用

單琳，喬江暉，陳海峰

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

論述了發(fā)動機試驗工藝系統(tǒng)多余物產(chǎn)生機理、多余物控制的基本要求，提出了一種基于VFW技術(shù)建立的便攜式簡易內(nèi)窺鏡多余物圖像檢測系統(tǒng)。主要對軟件設(shè)計思路進行了論述，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)在現(xiàn)有試車臺工藝系統(tǒng)多余物控制中的應(yīng)用，該技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了多余檢測過程的數(shù)字化管理，提高了試驗系統(tǒng)單元部件多余物檢測效率。并使檢測手段便捷化。

VFW技術(shù)；內(nèi)窺鏡；多余物

0　引言

液體火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)的主要特點是管路復(fù)雜、中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)眾多（如氣動球閥、過濾器、波紋管、流量計等）、管道空間落差較大、管道組合件設(shè)備體積龐大，且管道安裝方向多與水平面成直角或一定傾斜角。每次對管道進行維護時，采用目視及其他方法難以發(fā)現(xiàn)與度量內(nèi)部缺陷，同時由于管道多數(shù)轉(zhuǎn)接部件都處于較高安裝位置，拆卸并對其內(nèi)部進行多余物檢查存在諸多不便。

另一方面，泵壓式常規(guī)上面級發(fā)動機流量小、轉(zhuǎn)速高，其節(jié)流圈直徑相對于大推力發(fā)動機小很多，對多余物反應(yīng)敏感，要求試驗系統(tǒng)嚴(yán)格控制多余物。在以往試驗中出現(xiàn)了因多余物影響試驗結(jié)果的問題，比如某型號上面級發(fā)動機渦輪泵聯(lián)試，因氧化劑泵出口管道二級節(jié)流孔板被一金屬切屑卡住，導(dǎo)致流量偏小，出現(xiàn)入口壓力偏大的問題；在某型號發(fā)動機試驗中因硝酸鹽堵塞氧化劑發(fā)生器進口過濾器，導(dǎo)致發(fā)動機工況偏低，緊急關(guān)機，嚴(yán)重影響了型號研制進度。

圖1　工藝系統(tǒng)多余物控制樹枝圖Fig.1 Tree diagram of foreign objects control system

以上問題的出現(xiàn)，說明發(fā)動機試驗需要從全過程自始至終嚴(yán)加預(yù)防和控制多余物，制定合理科學(xué)的控制方法，避免多余物進入發(fā)動機內(nèi)部。采用內(nèi)窺鏡檢測多余物是一種簡便現(xiàn)實有效的方法，它利用內(nèi)窺鏡探頭及其光源對傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探照，進而獲得機械結(jié)構(gòu)內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息。但現(xiàn)有市場上所銷售的內(nèi)窺鏡管道檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需部件眾多，且價格昂貴。本文在分析和研究了當(dāng)前內(nèi)窺鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原理基礎(chǔ)上，提出了一種基于VFW（Video for Windows）技術(shù)設(shè)計的簡單實用的內(nèi)窺鏡多余物檢測系統(tǒng)，解決現(xiàn)有液體火箭發(fā)動機試驗臺管道多余物可靠性檢測的數(shù)字化和圖像化方法問題，從而實現(xiàn)發(fā)動機試驗臺管道多余物檢測方法由“目測”到“數(shù)字化”檢測管理的轉(zhuǎn)變，同時進一步提高試車臺管道多余物檢測的效率，從而達(dá)到縮短試車臺管道檢測時間、減少勞動強度的目的。

1　多余物控制方法分析

多余物的產(chǎn)生有多種因素，因此控制手段必須認(rèn)真分析系統(tǒng)工藝流程的各環(huán)節(jié)，才能采取準(zhǔn)確有效的預(yù)防和控制措施。對于發(fā)動機試驗系統(tǒng)來說，多余物控制主要應(yīng)從人員、操作、設(shè)備、檢查、環(huán)境和工藝等方面分析。試驗系統(tǒng)多余物控制樹枝圖見圖1。

2　工藝系統(tǒng)多余物產(chǎn)生機理

2.1化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生

常規(guī)發(fā)動機試驗所用工作介質(zhì)為偏二甲肼/四氧化二氮，偏二甲肼自身不易產(chǎn)生多余物，而四氧化二氮化學(xué)機理較為復(fù)雜，四氧化二氮實際上是與NO2并存的平衡物，其反應(yīng)式為

低溫時，以N2O4(無色)為主；高溫時，以NO2(紅色)為主，遇水生成硝酸，其反應(yīng)式為：

硝酸是一種強酸，具有強烈的氧化和硝化作用，除金和鉑以外，它對所有金屬都有一定的腐蝕作用。氧化劑的吸水性極強，吸水后濃硝酸變?yōu)橄∠跛?，而稀硝酸對金屬的化學(xué)活性比濃硝酸高。腐蝕的化學(xué)反應(yīng)式為

式中M表示在氧化狀態(tài)下價數(shù)為n的金屬。生成的硝酸鹽容易堵塞系統(tǒng)過濾器，影響推進劑流量，嚴(yán)重時導(dǎo)致試驗失敗。圖2為某次試驗前分解檢查氧化劑過濾器結(jié)果。

圖2　過濾器濾網(wǎng)上白色硝酸鹽Fig.2　White nitrate on filter screen of a filter

氧化劑（四氧化二氮）貯存的另一個問題就是生成沉淀物。這種沉淀物最初呈凝膠狀，然后聚合在一起變成固體顆粒狀物質(zhì)。因此，若徹底隔絕四氧化二氮與水，保持系統(tǒng)正壓封存，那么四氧化二氮在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生多余物的可能性就降低了。

2.2人員操作產(chǎn)生

在工作過程中人員操作可能會產(chǎn)生多余物，若不采取控制措施則可能進入系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存在多余物。例如在新配制相關(guān)管路或進行系統(tǒng)改造時，不可避免地有系統(tǒng)與外界接觸的過程，管路制作后清洗是否干凈，安裝過程中是否帶進多余物等，防止多余物進入系統(tǒng)就是重中之重。

2.3系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生

系統(tǒng)內(nèi)各種閥門的動作導(dǎo)致密封件不可避免的發(fā)生磨損。如現(xiàn)閥門密封常用的聚四氟乙烯密封材料，在閥門尤其是球閥等工作過程中，摩擦下來的碎屑等也是多余物，若不采取措施加以控制，可能會對試車結(jié)果造成一定的影響。

3　基于VFW多余物檢測裝置簡介

3.1多余物檢測裝置要求

根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，筆者認(rèn)為無損檢測將是今后我國液體火箭發(fā)動機試車臺管道、傳感器多余物檢測與控制的一個發(fā)展必然趨勢，該方法可以提高多余物檢測效率、降低檢測成本。依據(jù)上述內(nèi)容，從方便使用和節(jié)約成本的角度進行設(shè)計，檢測裝置應(yīng)具備如下功能和要求：

1）結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、便于攜帶；

2）支持USB視頻圖像傳輸功能；

3）支持USB輸入設(shè)備 (鼠標(biāo))對UI進行操作；

4） 具有本地硬盤圖像和視頻手動和自動存儲功能；

5）可同時支持多個內(nèi)窺鏡頭使用；

6）可對視頻進行精細(xì)化設(shè)置和管理。

3.2內(nèi)窺鏡的功能和組成

工業(yè)內(nèi)窺鏡可用于高溫、有毒、核輻射及人眼無法直接觀察到的場所。它可以把人們的視距延長，突破了人眼觀察的死角，可以準(zhǔn)確清晰地觀察部件內(nèi)部或內(nèi)表面的情況，諸如磨破損、表面裂紋、毛刺及異常附著物等，并且能靈活改變視線方向，全方位多角度觀察物體內(nèi)部的真實狀況。

內(nèi)窺鏡附有照明光源，利用物體的自然孔道或切口導(dǎo)入其內(nèi)部，可用于液體火箭發(fā)動機試驗臺管道、閥門以及傳感器等部件的缺陷和多余物檢查。內(nèi)窺鏡組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是通過物鏡成像傳至CCD組件表面上，然后CCD再把光像轉(zhuǎn)變成為電信號，而后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至視頻內(nèi)窺鏡控制組，再由該控制組把影像輸出至監(jiān)視器或計算機上?；贑CD工業(yè)內(nèi)窺鏡有如下特點：內(nèi)窺鏡系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、光學(xué)鏡頭系統(tǒng)、CCD攝像機、計算機4個部分組成，其中前3個部分可集成在一起，僅引出一根視頻信號線和計算機相連，體積小、便于攜帶。

圖3　內(nèi)窺鏡組成結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure diagram for composition of speculum

3.3基于VFW技術(shù)的軟件功能

3.3.1軟件設(shè)計流程

內(nèi)窺鏡軟件是基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想，把系統(tǒng)的采集、控制、通訊、存儲、管理、處理和輸出等功能設(shè)計成為不同的功能性模塊。這些模塊在功能上是相互獨立的，而在結(jié)構(gòu)上又是相互補充并有機的組合在一起的。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　軟件運行流程圖Fig.4　Flow chart of software

視頻圖像捕捉模塊是軟件設(shè)計的核心部分，該部分主要采用VFW技術(shù)進行程序設(shè)計，VFW的接口主要實現(xiàn)視頻采集、視頻壓縮和AVI文件操作等功能，且播放時不需要專用硬件。Windows操作系統(tǒng)本身包括了VFW開發(fā)包，當(dāng)用戶在安裝Windows時，安裝程序會自動地安裝配置視頻所需的視頻組件。VFW技術(shù)主要通過AVICap窗口類實現(xiàn)視頻采集，通過Avicap.dllX &mmsystem.dll進行視頻傳遞，與視頻驅(qū)動程序功能交互。

3.3.2AVICap視頻數(shù)據(jù)采集方法

視頻采集流程分為創(chuàng)建捕獲窗口、視頻采集設(shè)備的連接和捕獲圖像到緩存并進行處理過程。視頻采集窗口是整個AVICap的核心，首先采用AVICap窗口類的創(chuàng)建窗口的函數(shù)capCreateCap tureWindow創(chuàng)建捕獲窗。

視頻采集設(shè)備的連接是利用capGetDriverDescription函數(shù)獲得視頻采集設(shè)備的信息，而后采用capDriverConnect(m_capwnd,index)宏將采集設(shè)備和窗口連接起來。

數(shù)據(jù)的采集、顯示和處理過程首先調(diào)用cap－File和capFileAlloc宏設(shè)置數(shù)據(jù)文件和申請存儲空間的大?。煌ㄟ^調(diào)用capCaptureSequenceNoFile宏和capCaptureSequence宏實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集與保存，通過DrawDib函數(shù)解碼，用DrawDib Begin函數(shù)一幀視頻數(shù)據(jù)顯示到視頻窗口，最后用DrawDibClose()函數(shù)釋放資源。

經(jīng)過以上流程，Windows系統(tǒng)把VFW接口調(diào)用傳遞給WDM視頻捕獲接口，而后通過USB數(shù)據(jù)線對內(nèi)窺鏡頭獲得的視頻圖像進行傳輸，計算機所獲得的視頻數(shù)據(jù)利用VFW技術(shù)進行采集處理，這包括實時的視頻流捕獲和單幀捕獲并提供對內(nèi)窺鏡視頻源的控制，同時，通過VFW技術(shù)能直接訪問視頻緩沖區(qū)，不需要生成中間文件，實時性很強，效率很高，它也可將數(shù)字視頻保存到事先建好的文件中，便于對視頻結(jié)果進行分析和生成檢測報告，同時這也是當(dāng)前視頻采集設(shè)備的發(fā)展趨勢。

4　內(nèi)窺鏡多余物檢測方法的應(yīng)用

4.1機械損傷多余物檢測

裂紋是對試車臺管道及部件產(chǎn)品質(zhì)量影響嚴(yán)重的一種缺陷。這些裂紋的存在，一方面導(dǎo)致壓力管道的氣密性達(dá)不到要求，另一方面，由裂紋所產(chǎn)生的鋼屑會留在管道內(nèi)部形成多余物，若流入試驗系統(tǒng)將對發(fā)動機工作性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

內(nèi)表面裂紋的檢測卻是一個較難解決的問題，利用內(nèi)窺鏡可以深入部件內(nèi)部進行觀察或檢測部件內(nèi)腔表面裂紋和多余物。某次檢測管道內(nèi)部裂紋檢測圖如圖5所示。

圖5　管道內(nèi)部裂紋圖Fig.5　Picture of fracture inside pipeline

4.2化學(xué)反應(yīng)多余物檢測

由于試車臺在用管道或部件所流經(jīng)的介質(zhì)在經(jīng)過水的清洗后在其內(nèi)部會產(chǎn)生殘留的水漬或略帶有酸堿性的水漬，時間長了會對部件表面產(chǎn)生腐蝕或斑點。管道內(nèi)部腐蝕圖如圖6所示。這些腐蝕物或斑點通常是由氧化劑與水發(fā)生反應(yīng)后形成白色固態(tài)物（硝酸鹽結(jié)晶）。若在推進劑供應(yīng)管道中的存在此類多余物，將會堵塞管道和閥門，引起系統(tǒng)流阻變化，進而導(dǎo)致發(fā)動機工作性能的不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響試車的成敗。

圖6　管道內(nèi)部腐蝕圖Fig.6　Picture of corroded part inside pipeline

4.3設(shè)備多余物檢測

主要氧化劑系統(tǒng)易產(chǎn)生硝酸鹽，在未采用內(nèi)窺鏡之前，每次發(fā)動機上臺前要定期分解氧化劑和燃料加注過濾器、主管路過濾器以確認(rèn)系統(tǒng)有無多余物。使用內(nèi)窺鏡之后，每次試車前不需要拆卸過濾器，通過內(nèi)窺鏡頭觀察管道或過濾器壁上是否存在硝酸鹽，并保存記錄圖像，從而有效地提高了工作效率和試驗系統(tǒng)的可靠性。

5　結(jié)論

開發(fā)研制了一套基于VFW技術(shù)的內(nèi)窺鏡裝置，其采用了便攜式結(jié)構(gòu)，具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單、精度較高的特點。該裝置已多次用于管路內(nèi)腔和過濾器表面檢查，可以直觀地檢查管路內(nèi)部多余物的情況，并能夠?qū)Χ嘤辔锏男螤?、位置進行準(zhǔn)確判定，在很大程度上改善了現(xiàn)有系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能和彌補了現(xiàn)有系統(tǒng)多余物檢查方法的不足，大大提高了多余物鑒別率和試驗系統(tǒng)可靠性。

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（編輯：陳紅霞）

Application of VFW technology in detection of foreign objects in rocket engine test system

SHAN Lin,QIAO Jianghui,CHEN Haifeng
（Xi’an Aerospace Propulsion Test Technique Institute,Xi’an 710100,China）

The producing mechanism of foreign objects and the basic control requirements of the foreign objects in the rocket engine test system are described in this paper.A VFW-based portable image detecting system of foreign objects is put forward.The software design thought is mainly described and the application of this system in the control of foreign objects is introduced in the paper. The digital management in foreign objects detection process was realized and the efficiency of foreign objects detection was improved by using this technology.The foreign objects detection measure was also simplified bythis technology.

VFW technology;speculum;foreign object

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0110-05

2016-02-15；

2016-03-24

單琳（1981—），女，工程師，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機試驗測量技術(shù)